Thermoelektrische Phänomene können in Nanomaterialien im Vergleich zum Volumenmaterial stark modifiziert werden. Die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit, des absoluten Seebeck-Koeffizienten (S) und der Wärmeleitfähigkeit ist eine wesentliche Herausforderung für die Messtechnik in Hinblick auf Mikro- und Nanostrukturen aufgrund dessen, dass die Transporteigenschaften vom Volumenmaterial sich durch Oberflächen- und Einschränkungseffekte verändern können. Im Rahmen dieser Abschlussarbeit wird der Einfluss von Größeneffekten auf die thermoelektrischen Eigenschaften von dünnen Platinschichten untersucht und mit dem Volumenmaterial verglichen. Dafür wurde eine Messplattform als standardisierte Methode entwickelt, um S einer dünnen Schicht zu bestimmen. Strukturelle Eigenschaften wie Schichtdicke und Korngröße werden variiert. Grenz- und Oberflächenstreuung reduzieren S der dünnen Schichten im Vergleich zum Volumenmaterial. Außerdem wird eine Methode demonstriert um S von einzelnen metallischen Nanodrähten zu bestimmen. Für hochreine und einkristalline Silber-Nanodrähte wird der Einfluss von Nanostrukturierung auf die Temperaturabhängigkeit von S gezeigt. Ein Modell ermöglicht die eindeutige Zerlegung des temperaturabhängigen S von Platin und Silber in einen Thermodiffusions- und Phononen-Drag-Anteil. Des Weiteren werden die thermoelektrischen Transporteigenschaften von einzelnen auf Bismut-basierenden Kern/Hülle-Nanodrähten untersucht. Der Einfluss des Hüllenmaterials (Tellur oder Titandioxid) und der räumlichen Dimension des Nanodrahts auf die Transporteigenschaften wird diskutiert. Streuung an Oberflächen, Einkerbungen und Grenzflächen zwischen dem Kern und der Hülle reduzieren die elektrische und thermische Leitfähigkeit. Eine Druckverformung induziert durch die Hülle kann zu einer Bandöffnung bei Bismut führen, sodass S gesteigert werden kann. Das Kern/Hülle-System zeigt in eine Richtung, um die thermoelektrischen Eigenschaften von Bismut erfolgreich anzupassen. / Thermoelectric phenomena can be strongly modified in nanomaterials compared to the bulk. The determination of the electrical conductivity, the absolute Seebeck coefficient (S) and the thermal conductivity is a major challenge for metrology with respect to micro- and nanostructures because the transport properties of the bulk may change due to surface and confinement effects. Within the scope of this thesis, the influence of size effects on the thermoelectric properties of thin platinum films is investigated and compared to the bulk. For this reason, a measurement platform was developed as a standardized method to determine S of a thin film. Structural properties, like film thickness and grain size, are varied. Boundary and surface scattering reduce S of the thin films compared to the bulk. In addition, a method is demonstrated to determine S of individual metallic nanowires. For highly pure and single crystalline silver nanowires, the influence of nanopatterning on the temperature dependence of S is shown. A model allows the distinct decomposition of the temperature-dependent S of platinum and silver into a thermodiffusion and phonon drag contribution. Furthermore, the thermoelectric transport properties of individual bismuth-based core/shell nanowires are investigated. The influence of the shell material (tellurium or titanium dioxide) and spatial dimension of the nanowire on the transport properties are discussed. Scattering at surfaces, indentations and interfaces between the core and the shell reduces the electrical and the thermal conductivity. A compressive strain induced by the shell can lead to a band opening of bismuth increasing S. The core/shell system points towards a route to successfully tailor the thermoelectric properties of bismuth.

L'objectif de cette thèse était d'étudier les propriétés thermoélectriques de couches minces d'oxyde de type delafossite déposées par pulvérisation cathodique magnétron. Pour cela, les oxydes CuCrO2:3%Mg, CuFeO2:3%Mg et CuCr0,84Fe0,16O2:3%Mg ont été déposés avec différentes épaisseurs sur des substrats de silice amorphe puis traités sous vide à différentes températures afin d'obtenir la structure delafossite. La température de traitement thermique optimale permettant d'obtenir les meilleures propriétés thermoélectriques est de 550°C pour CuCrO2:Mg et CuCr0,84Fe0,16O2:Mg et de 700°C pour CuFeO2:Mg. L'épaisseur optimale des couches minces est de 100 nm pour la delafossite au chrome et de 300 nm pour celle au fer. La conductivité électrique des couches augmente avec la température tout en conservant un coefficient Seebeck positif et constant pour les trois compositions données impliquant un mécanisme par saut de polarons. Le facteur de puissance des couches minces CuCrO2:Mg, CuFeO2:Mg et CuCr0,84Fe0,16O2:Mg dont l'épaisseur et la température de recuit ont été optimisées atteint respectivement 59 µW.m-1K-2, 84 µW.m-1K-2 et 36 µW.m-1K-2 à 200°C. Les études microstructurales et structurales ont permis de comprendre la variation du facteur de puissance avec la température de recuit et l'épaisseur. Elles ont notamment montré que la décroissance de la conductivité électrique des films traités à haute température est due à des phénomènes concomitants de fissuration de la couche et de ségrégation du magnésium. Une étude thermique utilisant la modélisation avec la méthode des éléments finis a permis de démontrer que dans le cas des couches minces, la conductivité thermique du substrat peut se substituer à celle du film dans le calcul de facteur de mérite. La validité du facteur de mérite modifié ((ZT)* = S2σ/ksubstrat) a été énoncée en fonction de l'épaisseur, l'émissivité et la conductivité thermique de la couche mince. L'utilisation de la méthode 3ω a permis de déterminer une valeur de conductivité thermique de 4,82 W.m-1k-1 à 25°C pour le film mince CuFeO2:Mg, qui se situe dans le domaine de validité établi pour l'utilisation de (ZT)*.[...] / The aim of this thesis was to study the thermoelectric properties of delafossite type oxides thin-films deposited by RF-magnetron sputtering. Several thicknesses of CuCrO2:3%Mg, CuFeO2:3%Mg and CuCr0,84Fe0,16O2:3%Mg oxides were deposited on fused silica then annealed under vacuum at different temperatures in order to obtain delafossite structure. The optimal annealing temperature which leads to an acceptable thermoelectric properties is 550°C for CuCrO2:Mg and CuCr0,84Fe0,16O2:Mg thin films and 700°C for CuFeO2:Mg thin film. The optimal thickness is 100 nm for the delafossite with chrome and 300 nm for delafossite with iron. The electrical conductivity of the studied thin films increases with the temperature, while maintaining a positive and constant Seebeck coefficient for the three given compositions that implies a hopping mechanism. The power factor of CuCrO2:Mg, CuFeO2:Mg and CuCr0,84Fe0,16O2:Mg thin films for which the annealing temperature and the thickness were optimized, reached 59 µW.m-1K-2, 84 µW.m-1K-2 and 36 µW.m-1K-2 respectively at 200°C. The microstructural and structural analysis allowed to understand the variation of the power factor with the annealing temperatures and the thicknesses. In particular, they showed that the decrease in the electrical conductivity of the thin films annealed at high temperature is due to concomitant phenomena of film cracking and magnesium segregation. A thermal analysis using modeling with the finite element method has demonstrated that in the case of thin films, the thermal conductivity of the substrate can be substituted for the thermal conductivity of the film in the calculation of figure of merit. The validity of the modified figure of merit ((ZT)* = S2σ/ksubstrate) was given as a function of the film thickness, emissivity and thermal conductivity. The thermal conductivity of CuFeO2:Mg was measured using the 3ω method and it was 4.82 W.m-1k-1 at 25°C which is within the range of validity established for the use of (ZT)*[...]

Thermoelectric materials are solid state devices having the capability to convert heat to electrical energy and vice versa. These materials are simple, have no moving parts and use no greenhouse gases. But the major drawback of these materials is their low conversion efficiency. Hence enhancement of thermoelectric efficiency is required to make the use of these devices widespread. Thermoelectric efficiency is related to a parameter termed figure of merit, ZT which is associated with the inter-related transport properties such as Seebeck coefficient, electrical and thermal conductivity. Efficient thermoelectric material should possess high Seebeck coefficient (S), high electrical conductivity () and low thermal conductivity (). The present investigation revolves around improvement of ZT of CoSb3 either by chemical doping or through microstructural modifications. These materials possess structural voids, which can be filled with foreign atoms. The rattling motion of these filler atoms reduces the thermal conductivity of these materials, thereby increasing the thermoelectric efficiency. The rattler atoms chosen for the present study are Mn and Yb. Both coarse and fine-grained MnxCo4Sb12 (x = 0. 0.2, 0.4, 0.8, 1.2 and 1.6) and Yb0.19Co4Sb12 have been synthesized and subjected to various structural and functional property characterizations. The structural study based on Rietveld Analysis and the corresponding difference Fourier maps confirms the void occupancy by Mn and Yb in MnxCo4Sb12 (x 0.2, 0.4 and 0.8) and Yb0.19Co4Sb12. In higher Mn content, x=1.2 and 1.6, Mn was found to partially substitute Co site and partially fill the voids and the remaining precipitated out as free particles. A comparative study of coarse and fine-grained CoSb3 has thrown light in to the grain size effect on the thermoelectric properties. Lowering of grain size helped in enhancement of ZT in CoSb3. Seebeck coefficient (thermoelectric power), electrical and thermal conductivity have been measured for different concentrations of the filler Mn atoms between 300K and 673K. A change in sign of the Seebeck coefficient from negative to positive occurs, when Mn concentration exceeds x=0.8. Electrical resistivity values was found to decrease initially with Mn filling with the minimum value at Mn content, x=0.4 and then gradually increase as Mn content increases. The thermal conductivity value decreases with Mn content in the CoSb3 indicating their rattling property which helps in the enhancement of the overall thermoelectric efficiency. There is a reduction in the value of ktotal in Mn filled CoSb3 than that of the unfilled counterpart. This decrease in the ktotal is a clear indication of the rattling motion of the filler Mn atom in the structural void of CoSb3. Highest ZT of 0.36 is achieved by Mn0.4Co4Sb12 at 373K. Higher concentration of Mn (with x= 1.2 and 1.6) proved to be detrimental in terms of improvement of the value of ZT. Grain size reduction helped in improvement of ZT in Mn0.2Co4Sb12. Maximal ZT of 0.06 at 523K is achieved in hot pressed Mn0.2Co4Sb12. The corresponding coarse-grained material is found to possess ZT of 0.01 at the said temperature. The enhancement can be attributed to high / ratio and high density. Similarly, fine grained Yb0.19Co4Sb12 shows higher ZT compared to the coarse-grained sample because high / and high S.

Carbon nanotubes are known as one of the strongest materials in nature and since their discovery; they have triggered the scientific interest for fabricating multi-functional polymer composites. However, a well-known problem associated to the incorporation of nanoparticulate materials in polymer matrices is their tendency to agglomerate in order to reduce their surface energy, and the extreme increase of the polymer viscosities (i.e melts, solutions, etc), which makes it very difficult to process them. Polymers can be efficiently reinforced by fibers for applications where high strength and stiffness are required. Micro-scale short fiber reinforced polymer composites have been an alternative way to obtain fiber reinforced composites since the long fiber incorporation is a painful job and not always feasible and easy to produce composites in big scale. Therefore, use of long glass fibers as the support for depositing CNTs as well as CNTs+other kind of nanoparticles was made, and the resulting interfaces were investigated in detail by single fiber model composites. This approach can bring the CNT functionality, fiber strength and toughness to the final composite, and simultaneously alleviate the manufacturing process from increase of the polymer high viscosities. Finally, very logically the question of whether to improve or destroy the interface integrity comes before implementing the hybrid hierarchical reinforcements in bigger scales, and an output out of this work will be given. Furthermore, several information and functionalities arising from the CNTs at the interphase region will be elucidated like cure monitoring of the epoxy resin matrix, UV-sensing ability, and thermoelectric energy harvesting, giving rise to multi-functional structural composites. CNT-modified natural fibers also have been utillised to fabricate short fiber reinforced composites, and have shown a promising reinforcement effect due to the CNT nanostructured interfaces. The ‘interface’ in fiber reinforced polymer composites (FRPCs) is known as a very crucial parameter that has to be considered in the design of a composite with desired properties. Interfaces are often considered as surfaces however, they are in fact zones or areas with compositional, structural, and property gradients, typically varying from that of the fiber and the matrix material. Characterization of the mechanical properties of interfaces is necessary for understanding the mechanical behavior of scaled-up composites. In fact, the mechanical characteristics of a fiber/resin composite depend mainly on i) the mechanical properties of the component materials, ii) the surface of the fiber, and iii) the nature of the fiber/resin bonding as well as the mode of stress transfer at the interface. Among the many factors that govern the characteristics of composites involving a glass, carbon, natural or ceramic fiber, and a macromolecular matrix, the adhesion between fiber and matrix plays a predominant role. In specific, the stress transfer at the interface requires an efficient coupling between fiber and matrix. Therefore, it is important to optimize the interfacial bonding since a direct linkage between fiber and matrix gives rise to a rigid, low impact resistance composite material.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuartiger thermoelektrischer (TE) Materialien, unter Berücksichtigung einer effizienten Präparation in Verbindung mit sorgfältiger chemischer Charakterisierung und physikalischer Messung. Als Grundvoraussetzung für eine TE aktive Verbindung muss diese ein Halbleiter sein, dessen Ladungsträgerkonzentration durch geeignete Substitution justiert werden kann. Weiterhin sollte eine starke Steigung der elektronischen Zustandsdichte am Fermi-Niveau vorhanden sein, um hohe Seebeck-Koeffizienten zu erhalten. Schwere Elemente in einer möglichst komplizierten Kristallstruktur sollten für eine relativ geringe thermische Leitfähigkeit von Vorteil sein. RuIn3 und seine Substitutionsvarianten erfüllen diese Voraussetzungen. Eine Fest-Flüssig-Reaktion mit anschließendem Spark-Plasma-Sintern (SPS) zur Präparation polykristalliner Materialien lieferte phasenreine Produkte. Binäres RuIn3 ist ein Halbleiter mit einer Bandlücke von 0,45 eV, welcher in Abhängigkeit von der Temperatur große negative und positive Seebeck-Koeffizienten zeigt. Die thermische Leitfähigkeit ist mit κmin = 3,8(8) W K-1 m-1 relativ gering. Eine genaue Einstellung der Ladungsträgerkonzentration kann durch Substitution von In mit Sn oder Zn erfolgen, wodurch ausschließlich negative (Sn) oder positive (Zn) Seebeck-Koeffizienten vorliegen. Gleichzeitig wird die thermische Leitfähigkeit um ca. 50 % im Vergleich zu binärem RuIn3 gesenkt. Die Substitution in RuIn3-xSnx und RuIn3-xZnx (x = 0,10) geht mit einem Halbleiter-Metall-Übergang einher, welcher durch Messungen des elektrischen Widerstands verifiziert wurde. Analysen mittels wellenlängendispersiver Röntgenspektroskopie zeigen eine gute Übereinstimmung der nominellen und experimentellen Zusammensetzung für die Sn-Substitution und einen vergleichsweise geringen Zn-Gehalt. RuO2-Verunreinigungen in kommerziellem Ru-Pulver sind die Ursache für kleine Nebenphasenanteile von In2O3 in RuIn3-xSnx und ZnO in RuIn3-xZnx. Die dadurch ablaufenden Reduktionen und die Redoxpotentiale der Elemente und Verbindungen können mit den Gitterparametern der Substitutionsvarianten und dem Homogenitätsbereich der Stammverbindung RuIn3 in Einklang gebracht werden. Zur Eliminierung der RuO2-Verunreinigungen wurde eine Wasserstoff-Reduktionsapparatur entwickelt. Damit konnten die Sauerstoffverunreinigungen im Ru-Pulver vollständig entfernt werden. Mit diesem gereinigten Ausgangsmaterial wurden die mit Zn substituierten Spezies erneut synthetisiert. Es zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der nominellen und experimentellen Zusammensetzung für die Zn-Substitution unter Nutzung des reduzierten Ru-Pulvers. Die Substitutionen der In-Position mit Zn führten zu maximalen TE Gütewerten von ZTmax = 0,76(19) in RuIn2;975Zn0;025. Neben Optimierungen der Ladungsträgerkonzentration spielen Veränderungen des Gefüges für die Eigenschaften eines TE Materials eine zentrale Rolle. Zur Ermittlung der Auswirkungen des Gefüges auf die TE Eigenschaften wurden große Einkristalle von RuGa3 (isostrukturell zu RuIn3) durch ein modifiziertes Bridgman-Verfahren gezüchtet und mit polykristallinem Material verglichen, welches aus diesem Einkristall hergestellt wurde. Gitterparameter und chemische Zusammensetzung der untersuchten RuGa3-Proben weisen keinerlei Variation auf. Die TE Eigenschaften zeigen im Hochtemperaturbereich (T = 300 K) keine signifikanten Unterschiede. In der Messung des Seebeck-Koeffizienten des RuGa3-Einkristalls lässt sich bei tiefen Temperaturen ein scharfes Minimum beobachten, welches in der polykristallinen Probe nicht auftritt. Analog dazu ist die thermische Leitfähigkeit des Einkristalls durch ein deutliches Maximum gekennzeichnet, welches in der polykristallinen Probe nahezu vollständig zusammenfällt. Die zusätzlichen Korngrenzen im Gefüge des polykristallinen Materials wirken als Streuzentren für Phononen, welche im entsprechenden RuGa3-Einkristall nicht vorhanden sind. Die intrinsischen Eigenschaften von RuGa3 mit hoher Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit niedrigem Seebeck-Koeffizienten bei tiefen Temperaturen könnten mit dem Phonon-drag-Effekt erklärt werden. Darauffolgend wurde Ruthenium durch Eisen vollständig ersetzt und der momentan viel untersuchte Halbleiter FeGa3 (isostrukturell zu RuIn3) studiert. Die Präparation polykristalliner Proben wurde analog zu RuIn3 und RuGa3 mit einer Fest-Flüssig-Reaktion und anschließender SPS-Behandlung durchgeführt. Aufgrund fehlender Untersuchungen zu einem geeigneten Substitutionselement wurden die Substitutionsvarianten FeGa3-xEx (E = Al, In, Zn, Ge; x = 0,50) präpariert. Die festen Lösungen FeGa3-xEx mit E = Al, In, Zn zeigen keine Verbesserung der TE Aktivität. Für FeGa3-xGex konnten aus chemischer und physikalischer Sicht die besten Ergebnisse erzielt werden. Systematisch sinkende c-Gitterparameter bei steigender Substitutionskonzentration gehen mit einer sehr guten Übereinstimmung von nomineller und experimenteller Zusammensetzung einher. Mit steigendem Ge-Gehalt wird der elektrische Widerstand und die thermische Leitfähigkeit gesenkt. Für die feste Lösung FeGa2;80Ge0;20 wird eine maximale TE Aktivität ZTmax = 0,21(5) erreicht. Für Untersuchungen zu Gefügeeinflüssen in FeGa3 wurden Einkristalle mit polykristallinem Material verglichen. Dabei weisen die Gitterparameter und die chemische Zusammensetzung der Einkristalle und des polykristallinen Materials im Bereich des experimentellen Fehlers keine Unterschiede auf. Die TE Eigenschaften bei hohen Temperaturen (T = 400 K) zeigen keine signifikanten Unterschiede zwischen poly- und einkristallinen Proben. Im Gegensatz dazu stehen Messungen des Seebeck-Koeffizienten und der thermischen Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen. Bei Temperaturen unter 20 K sind die Wärmeleitfähigkeiten der Einkristalle durch starke Maxima geprägt (κ[001](Czochralski) < κ[100](Czochralski) < κ(Ga-Fluss)). Im polykristallinen Material mit der höchsten Defekt-Konzentration (Korngrenzen) ist dieses Signal durch viele zusätzliche Streuzentren für Phononen fast vollständig unterdrückt. Der Seebeck-Koeffizient der Einkristalle und des polykristallinen Materials ist im gleichen Temperaturbereich und in gleicher Reihenfolge ebenfalls durch starke Signale gekennzeichnet. Für die ungewöhnlich niedrigen Seebeck-Koeffizienten wurden magnetische oder strukturelle Phasenübergänge durch Messungen der magnetischen Suszeptibilität und der Wärmekapazität ausgeschlossen. Theoretische Berechnungen der elektronischen Eigenschaften auf Basis von ermittelten Ladungsträgerkonzentrationen aus Hall-Messungen zeigen, dass die extremen Seebeck-Koeffizienten in FeGa3 nicht elektronischen Ursprungs sein können, weshalb Elektronen-Korrelation ausgeschlossen wurde. Die gesamte thermische Leitfähigkeit ist bei Temperaturen kleiner 400 K nahezu ausschließlich durch den Anteil des Gitters bestimmt. Demzufolge wurde der Phonon-drag-Effekt als Ursache für die ungewöhnlich niedrigen Seebeck-Koeffizienten in FeGa3-Einkristallen von bis zu -16.000(800) µV K-1 begründet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die kontrollierte Durchführung von chemischen Reaktionen in Kombination mit einer gründlichen chemischen Charakterisierung eine entscheidende Rolle bei der effizienten Präparation von (un-)bekannten Verbindungen und Materialien spielt.

Le but de cette thèse est d'étudier l'effet de l’alignement et le contrôle de la morphologie de films minces de polythiophènes et de les corréler avec les propriétés optiques, de transport de charges et thermoélectriques. Puisque les polymères semiconducteurs sont intrinsèquement anisotropes, il est essentiel de les aligner afin de comprendre leur propriétés. Cette étude a été réalisée en employant deux techniques qui ont permises d’obtenir des films minces orientés. Le brossage à haute température et la cristallisation épitaxiale directionnelle (CED) ont conduit à des films de polythiophène hautement orientés avec des paramètres d'ordre allant jusqu'à 0.87 et des taux de crystallinité jusqu'à 65%. La technique de brossage nous a permis de contrôler avec précision les tailles des domaines cristallins dans des films de P3HT brossés. Par cette méthode, nous avons pu également déterminer les températures de fusion à l'équilibre de différents poly(3-alkyl-thiophène). Nous avons appris que la largeur de bande du couplage excitonique W dépend des dimensions des cristaux dans les films minces brossés. Cette étude à aussi montrer l’importance de la planarité des chaînes pontant les domaines cristallins à travers les zones amorphes sur les propriétés de transport de charges. Nous avons également mis en évidence la morphologie particulière du poly (3-butylthiophène) (P3BT) et le rôle des groupements butyles. La méthode de cristallisation epitaxialle a été utilisée pour orienter des films de poly(3-dioctylphenyl-thiophène) (PDOPT). Nous avons examiné l'effet de la masse moléculaire du PDOPT sur le degré de cristallinité et l'alignement. Ceci nous a permis de proposer un modèle structural montrant l’absence de pi-stacking dans ce polythiophène. Finalement, nous proposons une méthode en deux étapes d’élaboration de films minces conducteurs alignés. Le brossage des films puis le dopage des polymères semiconducteurs de type-P a permis d’obtenir des propriétés thermoélectriques anisotropes améliorées.Cette thèse démontre l'importance du contrôle de la morphologie et de l'alignement des polymères semiconducteurs et conducteurs pour comprendre leurs propriétés fortement anisotropes. / The aim of this thesis is to study the effect of alignment and morphological control on polythiophene thin films and to correlate this control with the optical, charge transport and thermoelectric properties. Since semiconducting polymers are inherently anisotropic by nature, studying these polymers in the aligned state was essential to understand their properties. This study could be achieved by employing two techniques that are successful in orienting polymers in thin films. High-temperature rubbing (HTR) along with directional epitaxial crystallization (DEC) produced highly oriented polythiophene thin films with order parameters reaching 0.87 and crystallinities up to 65%. HTR was a successful method to control crystal sizes in rubbed poly(3-hexyl-thiophene) P3HT films. By this method, the equilibrium melting temperatures of other poly(3-alkyl-thiophene) P3ATs were calculated. We learned that the free excitonic bandwidth depends on the crystal dimensions in the rubbed thin films. We also learned that the planarity of tie-chains linking consecutive crystalline domains plays a very important role in field-effect mobility. We also discuss the peculiar morphology of poly(3-butyl-thiophene) (P3BT) and the role of the butyl side groups. Then DEC method was proposed to orient poly(3-dioctylphenyl-thiophene) (PDOPT) thin films. We examined the effect of molecular weight of PDOPT on the level of crystallinity and alignment. Consequently, this relation provided fundamental information that helped us refine the crystal structure of PDOPT. Finally, a versatile method to produce highly aligned conducting polymers was proposed. HTR followed by P-type doping proved to be an excellent way to produce highly aligned conducting thin films with enhanced thermoelectric properties. This thesis brings value to the importance of morphology control and the alignment of semiconducting thin films to understand the various properties of these highly anisotropic systems.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuartiger thermoelektrischer (TE) Materialien, unter Berücksichtigung einer effizienten Präparation in Verbindung mit sorgfältiger chemischer Charakterisierung und physikalischer Messung. Als Grundvoraussetzung für eine TE aktive Verbindung muss diese ein Halbleiter sein, dessen Ladungsträgerkonzentration durch geeignete Substitution justiert werden kann. Weiterhin sollte eine starke Steigung der elektronischen Zustandsdichte am Fermi-Niveau vorhanden sein, um hohe Seebeck-Koeffizienten zu erhalten. Schwere Elemente in einer möglichst komplizierten Kristallstruktur sollten für eine relativ geringe thermische Leitfähigkeit von Vorteil sein. RuIn3 und seine Substitutionsvarianten erfüllen diese Voraussetzungen. Eine Fest-Flüssig-Reaktion mit anschließendem Spark-Plasma-Sintern (SPS) zur Präparation polykristalliner Materialien lieferte phasenreine Produkte. Binäres RuIn3 ist ein Halbleiter mit einer Bandlücke von 0,45 eV, welcher in Abhängigkeit von der Temperatur große negative und positive Seebeck-Koeffizienten zeigt. Die thermische Leitfähigkeit ist mit κmin = 3,8(8) W K-1 m-1 relativ gering. Eine genaue Einstellung der Ladungsträgerkonzentration kann durch Substitution von In mit Sn oder Zn erfolgen, wodurch ausschließlich negative (Sn) oder positive (Zn) Seebeck-Koeffizienten vorliegen. Gleichzeitig wird die thermische Leitfähigkeit um ca. 50 % im Vergleich zu binärem RuIn3 gesenkt. Die Substitution in RuIn3-xSnx und RuIn3-xZnx (x = 0,10) geht mit einem Halbleiter-Metall-Übergang einher, welcher durch Messungen des elektrischen Widerstands verifiziert wurde. Analysen mittels wellenlängendispersiver Röntgenspektroskopie zeigen eine gute Übereinstimmung der nominellen und experimentellen Zusammensetzung für die Sn-Substitution und einen vergleichsweise geringen Zn-Gehalt. RuO2-Verunreinigungen in kommerziellem Ru-Pulver sind die Ursache für kleine Nebenphasenanteile von In2O3 in RuIn3-xSnx und ZnO in RuIn3-xZnx. Die dadurch ablaufenden Reduktionen und die Redoxpotentiale der Elemente und Verbindungen können mit den Gitterparametern der Substitutionsvarianten und dem Homogenitätsbereich der Stammverbindung RuIn3 in Einklang gebracht werden. Zur Eliminierung der RuO2-Verunreinigungen wurde eine Wasserstoff-Reduktionsapparatur entwickelt. Damit konnten die Sauerstoffverunreinigungen im Ru-Pulver vollständig entfernt werden. Mit diesem gereinigten Ausgangsmaterial wurden die mit Zn substituierten Spezies erneut synthetisiert. Es zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der nominellen und experimentellen Zusammensetzung für die Zn-Substitution unter Nutzung des reduzierten Ru-Pulvers. Die Substitutionen der In-Position mit Zn führten zu maximalen TE Gütewerten von ZTmax = 0,76(19) in RuIn2;975Zn0;025. Neben Optimierungen der Ladungsträgerkonzentration spielen Veränderungen des Gefüges für die Eigenschaften eines TE Materials eine zentrale Rolle. Zur Ermittlung der Auswirkungen des Gefüges auf die TE Eigenschaften wurden große Einkristalle von RuGa3 (isostrukturell zu RuIn3) durch ein modifiziertes Bridgman-Verfahren gezüchtet und mit polykristallinem Material verglichen, welches aus diesem Einkristall hergestellt wurde. Gitterparameter und chemische Zusammensetzung der untersuchten RuGa3-Proben weisen keinerlei Variation auf. Die TE Eigenschaften zeigen im Hochtemperaturbereich (T = 300 K) keine signifikanten Unterschiede. In der Messung des Seebeck-Koeffizienten des RuGa3-Einkristalls lässt sich bei tiefen Temperaturen ein scharfes Minimum beobachten, welches in der polykristallinen Probe nicht auftritt. Analog dazu ist die thermische Leitfähigkeit des Einkristalls durch ein deutliches Maximum gekennzeichnet, welches in der polykristallinen Probe nahezu vollständig zusammenfällt. Die zusätzlichen Korngrenzen im Gefüge des polykristallinen Materials wirken als Streuzentren für Phononen, welche im entsprechenden RuGa3-Einkristall nicht vorhanden sind. Die intrinsischen Eigenschaften von RuGa3 mit hoher Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit niedrigem Seebeck-Koeffizienten bei tiefen Temperaturen könnten mit dem Phonon-drag-Effekt erklärt werden. Darauffolgend wurde Ruthenium durch Eisen vollständig ersetzt und der momentan viel untersuchte Halbleiter FeGa3 (isostrukturell zu RuIn3) studiert. Die Präparation polykristalliner Proben wurde analog zu RuIn3 und RuGa3 mit einer Fest-Flüssig-Reaktion und anschließender SPS-Behandlung durchgeführt. Aufgrund fehlender Untersuchungen zu einem geeigneten Substitutionselement wurden die Substitutionsvarianten FeGa3-xEx (E = Al, In, Zn, Ge; x = 0,50) präpariert. Die festen Lösungen FeGa3-xEx mit E = Al, In, Zn zeigen keine Verbesserung der TE Aktivität. Für FeGa3-xGex konnten aus chemischer und physikalischer Sicht die besten Ergebnisse erzielt werden. Systematisch sinkende c-Gitterparameter bei steigender Substitutionskonzentration gehen mit einer sehr guten Übereinstimmung von nomineller und experimenteller Zusammensetzung einher. Mit steigendem Ge-Gehalt wird der elektrische Widerstand und die thermische Leitfähigkeit gesenkt. Für die feste Lösung FeGa2;80Ge0;20 wird eine maximale TE Aktivität ZTmax = 0,21(5) erreicht. Für Untersuchungen zu Gefügeeinflüssen in FeGa3 wurden Einkristalle mit polykristallinem Material verglichen. Dabei weisen die Gitterparameter und die chemische Zusammensetzung der Einkristalle und des polykristallinen Materials im Bereich des experimentellen Fehlers keine Unterschiede auf. Die TE Eigenschaften bei hohen Temperaturen (T = 400 K) zeigen keine signifikanten Unterschiede zwischen poly- und einkristallinen Proben. Im Gegensatz dazu stehen Messungen des Seebeck-Koeffizienten und der thermischen Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen. Bei Temperaturen unter 20 K sind die Wärmeleitfähigkeiten der Einkristalle durch starke Maxima geprägt (κ[001](Czochralski) < κ[100](Czochralski) < κ(Ga-Fluss)). Im polykristallinen Material mit der höchsten Defekt-Konzentration (Korngrenzen) ist dieses Signal durch viele zusätzliche Streuzentren für Phononen fast vollständig unterdrückt. Der Seebeck-Koeffizient der Einkristalle und des polykristallinen Materials ist im gleichen Temperaturbereich und in gleicher Reihenfolge ebenfalls durch starke Signale gekennzeichnet. Für die ungewöhnlich niedrigen Seebeck-Koeffizienten wurden magnetische oder strukturelle Phasenübergänge durch Messungen der magnetischen Suszeptibilität und der Wärmekapazität ausgeschlossen. Theoretische Berechnungen der elektronischen Eigenschaften auf Basis von ermittelten Ladungsträgerkonzentrationen aus Hall-Messungen zeigen, dass die extremen Seebeck-Koeffizienten in FeGa3 nicht elektronischen Ursprungs sein können, weshalb Elektronen-Korrelation ausgeschlossen wurde. Die gesamte thermische Leitfähigkeit ist bei Temperaturen kleiner 400 K nahezu ausschließlich durch den Anteil des Gitters bestimmt. Demzufolge wurde der Phonon-drag-Effekt als Ursache für die ungewöhnlich niedrigen Seebeck-Koeffizienten in FeGa3-Einkristallen von bis zu -16.000(800) µV K-1 begründet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die kontrollierte Durchführung von chemischen Reaktionen in Kombination mit einer gründlichen chemischen Charakterisierung eine entscheidende Rolle bei der effizienten Präparation von (un-)bekannten Verbindungen und Materialien spielt.

Thermoelectric (TE) ZrNiSn samples with a half-Heusler atomic structure were synthesized by mechanical alloying (MA) and consolidation by either Spark Plasma Sintering (SPS) or hot pressing (HP). X-Ray diffraction patterns of as milled powders and consolidated samples were compared and analyzed for phase purity. Thermal conductivity, electrical conductivity and Seebeck coefficient are measured as a function of temperature in the range 300 K to 800 K and compared with measurements reported for high temperature solid state reaction synthesis of this compound. HP samples, compared to SPS samples, demonstrate increased grain growth due to longer heating times. Reduced grain size achieved by MA and SPS causes increased phonon scattering due to the increased number of grain boundaries, which lowers the thermal conductivity without doping the base system with addition phonon scattering centers. Mechanical characterization of the samples by microindentation and depth sensing indentation for hardness and elastic modulus will be discussed.

Transition Metal (TM) silicides are potential materials for different high temperature applications due to their high melting points and chemical stability at elevated temperatures. In the present work, the possible use of Gr (VIB) disilicides: MoSi2 and CrSi2 for high temperature structural application and thermopower generation respectively are investigated. Literature reports on MoSi2 indicate this material to have excellent mechanical and thermal behaviors at temperatures greater than 1273 K. The major problems limiting its use are the low temperature brittleness and oxidation at intermediate temperatures and form the scope of this work. Also, CrSi2 is reported to be a narrow band gap semiconductor. Its feasibility as a thermoelectric material for power generation is investigated. The first chapter briefly summarizes the literature on MoSi2 and CrSi2 relevant to structural and thermoelectric applications respectively. Based on the available literature, the scope of further work is discussed. The second chapter describes the methods of synthesis employed for these materials and the characterization techniques adopted. Some experimental setups like thermal conductivity and hot pressing unit that were fabricated as part of the work are described in detail. The thermal conductivity apparatus is based on the principle of parallel heat flow technique. It allows accurate measurement of K and S in the temperature range 300-700 K. The induction based hot-pressing unit allows compaction of polycrystalline powders to near theoretical densities thereby allowing quantitative evaluation of the physical properties. In the third chapter, an understanding of ductility/brittleness based of electron charge density distribution is attempted. The electron charge density in Tin and simple metals (BCC and FCC) is analyzed using Bader’s Atoms in Molecule (AIM) theory. Also the relevant surface and dislocation energies in these materials are calculated according to the Rice Model. It is found that the electron densities at the critical points correlate in a simple way with the relevant stacking fault and surface energetics. Based on these results, a ductility parameter (DM odel) based on electron charge distribution, to predict the effects of chemical substitutions on ductility/brittleness in materials is proposed. In the fourth chapter, possible elements to impart ductility in MoSi2 are identified based on the DM odel values. Calculations indicate, Nb, Ta, Al, Mg and Ga to be suitable candidates for improving ductility in MoSi2. Also oxidation studies based on present experiments and reported literature data reveal, Al to improve the intermediate temperature (773-873 K) oxidation behavior. Thus to simultaneously improve the low temperature ductility and oxidation resistance, Nb and Al were identified as suitable candidates. In the fifth chapter, the experimental data of Nb and Al co-substituted MoSi2 samples are reported. Oxidation studies carried out by thermogravimetry show improved oxidation resistance in Nb and Al co-substituted samples compared to pure MoSi2 in the temperature range of 773-873 K. Mechanical characterization was carried out for (Mo0.99Nb0.01)(Si0.96Al0.04)2 co-substituted composition. Compression testing at room temperature show plastic deformation at low strain rates (10−3 /sec). Indentation experiments show a reduction in the hardness and stiffness compared to pure MoSi2. There is also an increase in the fracture toughness (K1C ) value with the fracture modes being predominantly transgranular. The sixth chapter describes the structural, thermal and transport properties of CrSi2. Structural refinement was carried out by Rietveld method and the positional, thermal parameters and occupancy were fixed. Thermo-gravimetric analysis shows oxidation resistance in powdered samples upto 1000 K. Thermal expansion (α) studies reveal anisotropy in the α values with an unusual decrease in the average αV values between 500 and 600 K. Measurements of electrical resistivity and seebeck coefficient indicate a degenerate semiconducting behavior. Electronic band structure calculations indicate a narrow indirect band gap (EG) material with EG~0.35 eV. Thermal conductivity (K) measurements show a decrease in K value with increasing temperature. Calculation of the thermoelectric figure of merit (ZT) show a maximum value of 0.18 at 800 K for the temperature range studied. Based on an analysis of the experimental and theoretical results, it is identified that further improvements in ZT of CrSi2 may be possible by reducing the lattice thermal conductivity and optimization of the carrier concentration. In chapter seven, the effect of particle size on ZT of CrSi2 is studied. Nano powders of CrSi2 were prepared by mechanical milling. Contamination is found to be a major problem during milling and the different milling parameters (milling speed, atmosphere, dispersant etc) were optimized to minimize contamination. The milled powders were further hot pressed to achieve high densities in a short duration thereby minimizing the grain growth. It is observed that the lattice thermal conductivity is reduced significantly with decreasing grain size. Measurements of ZT show a maximum value of 0.20 in the milled sample compared to 0.14 in arc melted CrSi2 at 600 K. In chapter eight the effect of chemical substitutions on ZT of CrSi2 is studied. Mn substitutions in Cr site were carried out to study the effect of atomic mass on lattice thermal conductivity (KP ). Al substitutions in Si site were carried out to tune the Fermi level. Results of Mn substitution show a large decrease in KP but also a reduction in the thermoelectric power factor (S2σ). The maximum ZT observed in the Mn substituted samples was 0.12 at 600 K. Al substitution results in an increase in the thermoelectric power factor and a subsequent increase in ZT. The maximum ZT observed was 0.27 at 700 K for 10% substitution of Al in Si site. The work reported in the thesis has been carried out by the candidate as a part of the Ph.D. training programme at Materials Research Centre, Indian Institute of Science, Bangalore, India. He hopes that this work would constitute a worthwhile contribution towards (a) basic understanding of ductility/brittleness in materials and understanding the effects of chemical substitutions, (b) Suitability of chemically substituted MoSi2 to overcome the problems of low temperature brittleness and oxidation. (c) Development of CrSi2 as a high temperature thermoelectric material.

Les oxydes doubles lamellaires de cobalt et les oxydes de vanadium ont récemment suscité un vifintérêt suite à la découverte de leurs propriétés thermoélectriques prometteuses. Nos efforts visentà synthétiser de nouveaux composés dérivés de ces systèmes en utilisant la synthèse à l'étatsolide, l'échange d'ions et/ou les techniques hydrothermales. Afin de moduler et d'optimiser leurscaractéristiques thermoélectriques, nous avons ajusté la composition des oxydes de cobalt grâce àdes substitutions appropriées. Au sein du dioxyde de vanadium quasi-1D, nous avons considérétrois différentes structures polymorphes : M1, A et B. Nous avons exploré les différents systèmesen construisant l’ensemble des diagrammes de phases. Nous avons également étudié l'effet de lasubstitution du vanadium par le molybdène et le chrome sur la stabilité de ces structurespolymorphes et caractérisé leurs propriétés électroniques en relation avec les mécanismes detransition de phase. / Lamellar cobalt double oxides and vanadium oxides have recently attracted tremendous interestafter the discovery of their interesting thermoelectric properties. Our efforts aimed at synthesizingnovel related compounds using standard solid state, ion exchange and/or hydrothermaltechniques. In order to modulate and optimize their thermoelectric characteristics, we have tunedthe composition of cobalt double oxides by appropriate substitutions. In quasi 1D vanadiumoxides, the interplay between spin, charge and orbital degrees of freedom often leads toremarkable properties. Here we dealt with three different polymorphs of vanadium dioxide,namely M1, A and B. We explored the several novel systems by constructing systematic phasediagrams. We also studied the effect of Mo and Cr:V substitution on the stability of thesepolymorphs and characterized their electronic properties in relation with the structural phasetransition mechanisms. Finally, we explored their potentiality for thermoelectric applications.